灌水时间和灌水比例对单套作玉米产量及水分利用效率的影响

彭霄，蒲甜，杨峰，杨文钰，王小春

灌水时间和灌水比例对单套作玉米产量及水分利用效率的影响

彭霄，蒲甜，杨峰，杨文钰，王小春

（四川农业大学农学院/农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室/作物生理生态及栽培四川省重点实验室，成都 611130）

【】探究不同灌水比例和灌水时间对单套作玉米产量及其水分利用效率的影响，为构建套作复合群体水分高效管理技术提供依据。采用自动式遮雨棚水分精量控制，2016—2017年连续2年在灌溉定额4 050 m3·hm-2条件下，设置2种种植模式（单作A1、套作A2）、3种灌水比例（播种水25%+拔节水25%+抽雄水25%+灌浆水25%，B1；播种水25%+拔节水25%+抽雄水15%+灌浆水35%，B2；播种水25%+拔节水35%+灌浆水40%，B3）两因素随机区组试验。研究不同种植模式下灌水时间和灌水比例对玉米生育期内土壤含水量、棵间蒸发量、耗水特征、产量及水分利用效率的影响。相同的灌溉定额下，玉米拔节后单作土壤含水量比套作平均高出16.60%，拔节期—成熟期套作棵间蒸发量平均较单作高出23.60%；单套作耗水强度高峰期均为拔节—抽雄期，日耗水强度最高达到7.21 mm·d-1，耗水量占全生育期21.62%—31.67%，拔节期后套作阶段耗水强度均显著高于单作，平均高出3.68%；单作玉米产量在播种水25%+拔节水35%+灌浆水40%时达最高，平均较单作其他处理提高16.49%，水分利用效率平均提高11.71%，而套作则在灌水处理为播种水25%+拔节水25%+抽雄水15%+灌浆水35%时，穗粒数、有效穗数平均较其他灌水处理增加4.47%、6.97%，从而使产量平均增加22.07%，水分利用效率平均提高19.11%。本试验灌溉定额为4 050 m3·hm-2下，播种、拔节期、灌浆期分别灌水25%、35%、40%有利于提高单作玉米产量，而套作玉米采用宽窄行带状栽培则需要增加一次灌水时间，在播种、拔节期、抽雄期、灌浆期分别灌水25%、25%、15%、35%有利于提高其产量及水分利用效率。

套作；玉米；棵间蒸发量；产量；水分利用效率

0 引言

【研究意义】间套作种植具有资源高效、避灾增收的效果，是西南山地玉米区主要的种植模式，为满足机械化生产的需要和实现双高产，目前间套作均采用宽窄行带状栽培。西南地区玉米大豆套作模式共生期短，长时间的预留空行会导致棵间蒸发量变化，因此套作模式下需要更合理的灌溉措施。【前人研究进展】水资源短缺已是人类面临的一个关键性问题[1]。我国农业耗水量大，年用水总量4×1011m3，占全国总用水量的70%，其中农田灌溉用水量3.6×1011—3.8×1011m3，占农业用水量的90%—95%。同时，农田用水浪费严重，灌溉农田的水分利用率仅为45%左右，灌溉水的利用效率仅为10 kg·mm-1·hm-2左右[2]，而一些发达国家农田水利用率可达80%以上，而水分利用效率在20 kg·mm-1·hm-2以上，造成这种现象的原因主要是灌溉设施的缺陷和管理方法不当以及灌溉技术研究与应用滞后。前人研究表明，小麦//玉米和蚕豆//玉米两种模式下，土壤水分利用存在生态位的差异，与单作相比，耗水量并没有显著差异，但水分利用效率显著提高[3-5]。小麦和玉米2种作物对水分生理需求时间差异是小麦玉米间作高效利用水分的基础[3]，间作下共生期长，共生期作物的交错生长减少了作物苗期或后期的棵间无效蒸发，提高了水分利用效率[6-7]。【本研究切入点】套作土壤水分蒸发量、植株蒸腾与单作之间的差异，以及间套作玉米耗水特性和高效的灌水技术等均缺乏相应研究，随着间套作种植面积的进一步推广，将严重制约农田用水的高效利用。【拟解决的关键问题】本试验在移动式遮雨棚内采用水分精量控制的方式，研究单套作条件下不同灌水比例和灌水时间对玉米产量和水分利用效率的影响，以期为构建套作复合群体水分高效管理技术提供理论和实践支撑，并推动水资源有限地区套作种植的持续高效发展。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2016—2017年的4月至8月，连续2年在四川省雅安市四川农业大学教学科研园区的活动式防雨棚内进行，池长、宽、深分别为2.5 m、1.8 m、2 m，四周用水泥层隔离以避免小区间水分的相互渗透。地上安装4 m高的移动式遮雨棚，降雨时遮挡，其余时间自然光照。用水表控制灌水量，灌水方式为均匀浸灌。试验供试玉米品种为正红505。

试验采用二因素随机区组设计，种植模式为单作，A1；套作，A2；玉米各生育时期的不同灌水定额为播种水（25%）+拔节水（25%）+抽雄水（25%）+灌浆水（抽雄后15 d）（25%），B1；播种水（25%）+拔节水（25%）+抽雄水（15%）+灌浆水（抽雄后15 d）（35%），B2；播种水（25%）+拔节水（35%）+灌浆水（抽雄后15 d）（40%），B3。灌溉定额4 050 m3·hm-2，以播种、拔节、抽雄、灌浆初期进行一次性灌水，试验6个处理，每处理3次重复，共18个小区。

套作玉米采用“40 cm+160 cm”的宽窄行种植模式，4月12日播种玉米，6月12日于玉米宽行内种大豆，玉米大豆行比2﹕2，套作玉米行距40 cm，株距16.7 cm，穴植单株；单作玉米行距70 cm，株距23.8 cm，穴植单株；玉米种植密度60 000株/hm2，底肥施过磷酸钙600 kg·hm-2（含P2O512%），氯化钾150 kg·hm-2（含K2O 60%）；玉米全生育期共施纯氮240 kg·hm-2，按底肥﹕穗肥为5﹕5施用。

1.2 测定项目及方法

1.2.1 土壤含水量 从玉米播种期到收获期每14 d采用烘干法，测定0—40 cm土层（20 cm一层）的土壤含水量。套作取玉米行、玉豆行、大豆行3个点土壤含水量的平均值表示套作玉米土壤含水量；灌溉前后均加测1次。

1.2.2 棵间蒸发量 参照王健等[8]方法用PVC管自制的微型蒸发器（MicroLysimeter）取原状土进行测定，微型蒸发器高15 cm，直径11 cm，单作每小区安装1个，套作分别在大豆行间（SS）、玉米行间（MM）、玉米行与大豆行间（MS）各安装1个，重复3次，于玉米播种后每3 d测定一次土壤的水分蒸发量。每次测量时，重新装入原状土测量，用精度为0.01 g的LP3102型电子天平称重，以计算土壤棵间蒸发量；微型蒸发器中土样每减少1 g相当于蒸发水分0.1053 mm。

1.2.3 产量及产量构成因素 玉米成熟期收获前考察有效穗，小区实收折算实际产量，根据均重法每小区另选取20个果穗考察穗部性状（穗行数、行粒数、穗长、秃尖长、千粒重）。

1.3 数据处理与计算方法

1.3.1 相关指标计算公式 作物生育期内耗水量采用水量平衡方程计算：ET=P+I+U+△W-SI-Q[9]。

式中，ET为耗水量（mm），P为降雨量（mm），I为灌溉量（mm），U为地下水补给量（mm），△W为土壤贮水量变化量（mm），SI为土壤水渗漏量（mm），Q为径流量（mm）。试验小区位于移动旱棚内，不受降水影响，地表径流和土壤水分渗漏量为0，地下水埋深较大，地下水的补充也忽略不计。故上式可简化为：ET=I+∆W。

耗水强度＝各生育阶段耗水量/生育阶段天数；

耗水模系数＝各生育阶段耗水量/总耗水量；

玉米产量水平上的水分利用效率：WUE= Y/ET[10-11]。

式中，WUE为玉米水分利用效率（kg·mm-1·hm-2），Y为玉米籽粒产量（kg·hm-2），ET为耗水量（mm）。

1.3.2 数据处理 数据采用Excel 2003 和DPS 7.05进行统计分析及差异显著性检验（Duncan法，α=0.05），使用Origin 9.0作图。

2 结果

2.1 土壤含水量

2年土壤含水量变化结果表明，拔节前各处理间土壤含水量差异不显著，拔节后单套作土壤含水量差异显著（图1）。拔节期—成熟期单作土壤含水量平均较套作高出6.58%。单作B1、B2、B3拔节—成熟期土壤含水量分别较套作B1、B2、B3高出7.50%、7.58%和5.73%。

2.2 棵间蒸发量

表1结果表明，玉米拔节前不同处理间棵间蒸发量差异不显著，拔节以后单套作间差异显著。拔节期—成熟期套作较单作平均高出23.60%。拔节期—抽雄期单套作条件下，B3的棵间蒸发量较B2、B1显著增加，分别提高4.37%、15.58%。抽雄期—灌浆期单套作表现为B1、B2下的棵间蒸发量显著高于B3，平均高出279.21%、170.37%。灌浆期—成熟期单套作下都表现为B3的棵间蒸发量较B2、B1显著增大，分别增加23.15%、19.17%，表明增加灌水量会显著增加棵间蒸发量。

套作各行间棵间蒸发量结果均表现为大豆行＞玉豆行＞玉米行，差异显著，大豆行棵间蒸发量较玉豆行、玉米行分别高出2.88%、11.27%。表明套作下大豆行、玉豆行棵间蒸发量增加，从而导致套作较单作棵间蒸发量增加（表2）。

2.3 土壤贮水消耗量

2016年土壤贮水消耗量数据表明，在玉米拔节期前各处理间土壤贮水消耗量差异不显著，拔节期后套作土壤贮水消耗量显著高于单作水平，平均高出115.38%。抽雄期—灌浆期单套作下均表现为B2＞B1＞B3，随着灌水比例的增加土壤贮水消耗量显著减少，平均降低89.56%，A1B3、A2B3处理抽雄期未浇水土壤含水量较低，因此对土壤贮水消耗量最小（表3）。2017年的研究结果与2016年表现出同样的趋势。

2.4 耗水特征

2016年玉米生育阶段耗水量、耗水模系数和耗水强度结果表明，玉米各生育阶段耗水量受灌水比例影响显著。灌浆—成熟期日耗水量达3.87—6.10 mm·d-1，耗水量占总耗水量的25.77%—39.50%，耗水模系数最高。耗水强度高峰期为拔节—抽雄期，日耗水强度最高达到7.21 mm·d-1，耗水量占全生育期21.62%—31.67%。拔节期前各处理间耗水强度差异不显著，套作拔节期以后阶段耗水强度均显著高于单作，平均高出3.68%，各处理阶段耗水强度均表现为拔节期—抽雄期＞灌浆期—成熟期＞播种期—拔节期＞抽雄期—灌浆期。不同灌水处理下阶段耗水量、耗水强度差异显著，表现为随灌水比例增加该阶段耗水量、耗水强度显著增加（表4）。2017年的结果与2016年表现出同样的趋势。

图1 玉米生育期土壤含水量动态变化

表1 不同处理对玉米各生育阶段棵间蒸发量的影响

不同小写字母、*表示处理间差异显著（＜0.05），**表示处理间差异显著（＜0.01）。下同

Different small letters and * mean significant differences among treatments at 0.05 level, ** mean significant differences among treatments at 0.01 level . the same as below

表2 玉豆带状套作系统不同位置棵间蒸发量

ss：大豆行间Soybean line；ms：玉豆行间Between soybean and maize line；mm：玉米行间maize line；AVG：平均值average value

2.5 产量及其构成因素

2.5.1 产量构成因素 不同处理对玉米千粒重和穗长的影响差异未达显著水平（表5），但显著影响了秃尖长、穗粒数、有效穗数和空秆。穗粒数表现为单作平均较套作高出9.67%，有效穗数表现为单作显著高于套作，平均高出5.28%。A1B3较A1B1、A1B2处理穗粒数显著增加8.78%、4.07%，有效穗显著增加5.95%、4.50%，空秆平均降低66.79%；A2B2较A2B1、A2B3穗粒数显著增加7.58%、6.07%，有效穗数显著增加5.66%、8.11%，空杆平均降低49.29%。单作下增加灌浆期灌水比例显著提高穗粒数、有效穗数，降低空秆数，套作下则表现为增加抽雄期灌水比例，有利于提高穗粒数、有效穗数，降低空秆数。

表3 2016年不同处理对玉米不同生育阶段土壤水分消耗量的影响

表4 不同处理对玉米生育阶段耗水量、耗水模系数和耗水强度的影响

不同小写字母表示处理间差异显著（＜0.05）。CA：耗水量；CP：耗水模系数；CD：耗水强度

Different small letters mean significant differences among treatments at 0.05 level. CA: Water consumption; CP: Water consumption percentage; CD: Diurnal water consumption

2.5.2 产量 2年产量数据表明，单作较套作产量平均增加22.51%，而在不同灌水比例处理下，B2显著高于B1、B3，分别高出16.34%、6.01%。单作下随着灌浆水比例的增加，产量显著增加，A1B3处理的产量分别比A1B1、A2B2处理高出24.70%、8.27%。而套作下表现为增加抽雄水比例，产量提高明显，A2B2处理显著高于A2B1、A2B3处理，分别高出14.45%、22.11%。单作下增加灌浆期灌水比例产量显著增加，而套作下增加抽雄期灌水比例，可以显著提高产量（图2）。

2.6 水分利用效率

套作不计入大豆用水的情况下，A2B2处理水分利用率显著增大，平均较A2B1、A2B3处理分别高出13.45%、23.23%；而单作下则表现为随灌浆期灌水比例增加水分利用效率显著增大，灌浆水灌水比例最大的A1B3处理显著高于A1B1、A1B2处理，分别高出16.25%、7.17%。单作下增加灌浆期灌水比例，水分利用效率显著增加，而套作下增加抽雄期灌水比例，可以显著提高水分利用效率（表6）。

3 讨论

前人研究表明，不同灌水定额下玉米秃尖长、千粒重差异显著[12-17]。拔节水可显著增加穗粒数，孕穗水可以提高百粒重，灌浆水能够延长小麦旗叶功能期，通过限量灌溉，穗数会随灌水量的增加而显著增加[18-21]。在本试验条件下，单作下抽雄期不灌水处理的穗粒数及有效穗数显著增加，产量提高，套作下表现为抽雄期灌水15%的处理穗粒数、有效穗数显著增加，抽雄阶段缺水降低了玉米的授粉结实率，空秆率增加，产量降低。在相同灌溉定额下套作相对于单作增加一次抽雄期灌水，可以显著增产，提高水分利用效率。

表5 不同处理对玉米穗部性状及产量构成因素的影响

图2 不同处理对玉米产量的影响

表6 不同处理下玉米的水分利用效率

夏玉米全生育期增加灌水次数有利于增产，在农田水分管理中应优先满足抽雄期和拔节期的需水，拔节—抽雄期、抽雄—灌浆期，植株生长旺盛、环境温度高，前人研究多认为这两个阶段是玉米生长的需水关键时期[22-25]。亢振军等[23]在沟灌试验中发现，抽雄期是春玉米需水关键时期，此时期亏水将会减产。本试验条件下，由于单作下土壤水分散失较小，采用播种水25%+拔节水35%+灌浆水40%灌水处理，通过增加拔节期灌水比例，达到增产提高水分利用效率的目的；而套作条件下，土壤水分蒸发较大，玉米生育后期大豆耗水，需采用播种水25%+拔节水25%+抽雄水15%+灌浆水35%处理，增加一次抽雄期灌水，才能保证抽雄期的需水，提高水分利用效率。玉米需水关键时期与前人研究结果一致，但单套作种植模式不一样，造成田间蒸发量差异，需要采取不同的灌水制度。

降低棵间蒸发量是减少土壤水分无效散失、提高水分有效利用的重要措施[26-28]；在冬小麦生长后期植株间遮蔽效果好，相对抑制或减弱了棵间蒸发的作用，从而减少了无效水分的散失[29]。本试验结果表明，在缺水条件下能够显著降低其棵间蒸发量；套作模式采用宽窄栽培，宽行植株间遮蔽效果较差，因此棵间蒸发量显著高于单作，套作拔节期后土壤含水量低于单作，与前人研究结果一致[26-29]，套作下长时间的大豆预留空行是增加其无效耗水的主要原因。套作下随着灌水量的后移棵间蒸发量减小，这是由于在玉米生育后期有大豆的存在，减少一部分无效蒸腾作用；而单作模式下随灌水量的后移棵间蒸发量增大，是因为在玉米生育后期气温高并且在玉米灌浆以后的需水量减小，因此增大了无效水的消耗。

随着灌水量和灌水次数的增加，耗水量增加，水分利用效率呈先增加后降低的趋势[30]。褚鹏飞等[31]在小麦拔节期和开花期灌水，各灌水60 mm，水分利用效率显著升高，灌水量超过90 mm，水分利用效率降低，不利于水分的高效利用。前人研究表明，适宜的灌水次数和量会显著影响水分利用效率[22]。本试验研究结果表明，各生育阶段耗水量受灌水定额的影响较大。在玉米各生育阶段灌水定额一样时，各阶段日耗水强度差异不大，但耗水量差异显著，主要是由于增加了对土壤水的利用，播种—拔节期、灌浆—成熟期对土壤水的消耗较多；在抽雄—灌浆期不浇水的处理中，该玉米生育阶段的耗水量、耗水强度、耗水模系数显著降低，这是由于本试验在干旱棚内进行，除了灌溉水外没有降雨补充土壤水，拔节期前玉米耗水来自灌溉水和底墒水，进入拔节期后玉米耗水主要来自于灌溉水，此时灌水定额小的处理耗水量、耗水模系数、耗水强度均减小。

4 结论

单套作玉米由于田间配置不同，土壤含水量从玉米拔节期开始表现出明显差异，套作宽行棵间蒸发量显著增大导致土壤含水量迅速下降，拔节期以后各阶段耗水强度、耗水量均显著大于单作，同时抽雄期套作大豆加入，需水量增加。因此在灌溉定额为4 050 m3·hm-2下，单套作玉米应采用不同的灌水比例和时间，套作玉米增加一次抽雄水有利于增产，采用播种水25% +拔节水25%+抽雄水15%+灌浆水35%灌水方式有利于提高产量和水分利用效率；而玉米单作条件下，播种水25%+拔节水35%+灌浆水40%的产量和水分利用效率最高。

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Effects of irrigation time and ratio on yield and water use efficiency of maize under monoculture and intercropping

PENG Xiao, PU Tian, YANG Feng, YANG WenYu, WANG XiaoChun

(College of Agronomy, Sichuan Agricultural University/Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System in Southwest China, Ministry of Agriculture/Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Cultivation, Sichuan Province, Chengdu 611130)

The effects of different irrigation proportion and irrigation time on yield and water use efficiency of monoculture and intercropping maize were studied to provide a basis for the high efficient water management technology for intercropped maize. 【】 The experiment was conducted with two factors randomized block by using automatic rain shelter from 2016-2017, the planting mode and irrigation ratio under the irrigation quota of 4 050 m3·hm-2. Planting mode included monoculture and intercropping. The irrigation ratio included B1(sowing water (25%) + jointing water (25%) + tasseling water (25%) + filling water (25%)), B2(sowing water (25%) + jointing water (25%) + tasseling water (15%) + filling water (35%)), and B3(sowing water (25%) + jointing water (35%) + filling water (40%)). the effects of irrigation time and proportion on soil water content, inter-plant evaporation, water consumption characteristics, yield and water use efficiency of maize in different planting patterns were studied. 【】 The results showed that under the same irrigation quota, the soil moisture content for the monoculture maize at the jointing stage was 16.60% higher while it was 23.60% lower from jointing stage to maturity stage than that of intercropped maize. The peak stage of water consumption intensity of monoculture and intercropping was at jointing-tasseling stage, and the maximum daily water consumption intensity reached 7.21 mm·d-1, occupied by 21.62%-31.67% of the whole growth period. However, the water consumption intensity of intercropping after jointing stage was significantly higher than that of monoculture by 3.68%. The yield of monoculture maize reached the highest in B3 treatment, it was 16.49% higher than other monoculture treatments, and the water use efficiency was 11.71% higher. However, for intercropped maize, the kernels per spike and effective spike in B2 treatment was 4.47% and 6.97% higher than other irrigation treatments which lead the average yield increased 22.07%, and WUE increased 19.11%. 【】 Under the irrigation quota of 4 050 m3·hm-2in this experiment, the monoculture maize get the highest yield when irrigated with 25%, 35% and 40% water at sowing, jointing and filling stages, respectively. For intercropped maize with wide and narrow rows and strips, the yield and water use efficiency get the highest, when the irrigated with 25%, 25%, 15% and 35% water at sowing, jointing, tasseling and filling stages, respectively.

intercropping; maize; soil evaporation; yield; water use efficiency

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.21.005

2019-03-17；

2019-05-16

国家重点研发计划（2016YFD03002009）、西南丘陵旱地粮油作物节水节肥节药综合技术集成与示范（20150312705）、四川省育种攻关项目（2016NYZ0051-2）、成都市农业技术成果应用示范项目（2015-NY01-00100-NC）

彭霄，E-mail：969119853@qq.com。通信作者王小春，E-mail：xchwang@sicau.edu.cn

（责任编辑 杨鑫浩）